变速器同步器工作原理

(1)为什么要采用同步器

以下图所示两轴变速器三、四档间换档过程为例(并假设在换档机构中只有接合套而无同步环)

从结构图中可以看出，输出轴三挡齿轮6与输入轴三档齿轮2的齿数之比（z6/z2）大于输出轴四挡齿轮5与输入轴四挡齿轮4 的齿数之比（z5/z4）。由相互啮合传动齿轮的转速与齿数关系（n2/n6=z6/z2，n4/n5=z5/z4），可以得出齿轮2与齿轮6转速之比（n2/n6）大于输入轴四挡齿轮4与输出轴四挡齿轮5 转速之比（n4/n5）的结论。而输出轴三挡齿轮6与齿轮5的转速又是一样的（n6=n5），所以在传动过程中，齿轮2转速永远比齿轮4转速高，即n2>n4。

当变速器从低速档（三档）换人高速档（四档）时，首先要踩离合器踏板，使离合器分离，接着通过变速杆等将接合套3右移，进入空档位置。在接合套3与齿轮2刚分离这一时刻，两者转速还是相等的，即n3=n2。而n2>n4，由此可以得出n3>n4，即接合套3的转速大于齿轮4转速的结论。这时如果立即把接合套3推向齿轮4上接合齿圈，就会发生打齿现象。

此时，由于变速器处于空档，接合套和齿轮之间没有联系，离合器从动盘又与发动机脱离，所以接合套与齿轮的转速都在分别逐渐降低。

因为齿轮与齿轮、输出轴、万向传动装置、驱动桥、行驶系以及整个汽车联系在一起，惯性很大，所以n4下降较慢；而接合套只与输入轴和离合器从动盘相联系，惯性很小，故n3下降较快。

因为n3原先大于n4，n3下降得又比n4快，所以过一会儿后，必然会有n3＝n4（同步）的情况出现。最好能在n3＝n4的时刻使接合套右移而挂入四档。

与接合套联系的一系列零件的惯性越小，则n3下降得越快，达到同步所需时间越少，并且在同样速度差的情况下，齿间的冲击力也小，因此离合器从动部分转动惯量应尽可能小一些。

当变速器从高速档（四档）换人低速档（三档）时，刚从四档推到空档的接合套与齿轮的转速相同，即n3＝n4，同时又有n2>n4，所以n2>n3。进入空档后，由于n3下降得比n2快，所以在接合套停下来之前，随着时间的推移，两者（n2与n3）差值将越来越大。为了使接合套3与齿轮2的转速达到相同，驾驶员应在此时重新接合离合器，同时踩一下加速踏板，使变速器输入轴及接合套3的转速高于齿轮2转速（动画子步骤（6）），即n3>n2，然后再分离离合器，等待片刻，到n3＝n2时，即可让接合套3与齿轮2上接合齿圈相接合，从而挂入三档。

上述相邻档位相互转换时，应该采取不同操作步骤的道理同样适用于移动齿轮换档的情况，只是前者的待接合齿圈与接合套的转动角速度要求一致，而后者的待接合齿轮啮合点的线速度要求一致，但所依据的速度分析原理是一样的。

以上变速器的换档操作，尤其是从高档向低档的换档操作比较复杂，而且很容易产生轮齿或花键齿间的冲击。为了简化操作，并避免齿间冲击，可以在换档装置中设置同步器。

同步器有常压式，惯性式和自行增力式等种类。这里仅介绍目前广泛采用的惯性式同步器。

惯性式同步器是依靠摩擦作用实现同步的，在其上面设有专设机构保证接合套与待接合的花键齿圈在达到同步之前不可能接触，从而避免了齿间冲击。

惯性同步器按结构又分为锁环式和锁销式两种。

轿车和轻、中型货车的变速器广泛采用锁环式惯性同步器，其细部结构多种多样, 但工作原理是一样的。其工作原理可以北京BJ212型汽车三档变速器中的二、三档同步器（见图3－33）为例说明。花键毂7与第二轴用花键连接，并用垫片和卡环作轴向定位。在花键毂两端与齿轮1和4之间，各有一个青铜制成的锁环（也称同步环）9和5。锁环上有短花键齿圈，花键齿的断面轮廓尺寸与齿轮 1，4及花键毂 7上的外花键齿均相同。在两个锁环上，花键齿对着接合套8的一端都有倒角（称锁止角），且与接合套齿端的倒角相同。锁环具有与齿轮1和4上的摩擦面锥度相同的内锥面，内锥面上制出细牙的螺旋槽，以便两锥面接触后破坏油膜，增加锥面间的摩擦。三个滑块2分别嵌合在花键毂的三个轴向槽11内，并可沿槽轴向滑动。在两个弹簧圈6的作用下，滑块压向接合套，使滑块中部的凸起部分正好嵌在接合套中部的凹槽10中，起到空档定位作用。滑块2的两端伸入锁环9和5的三个缺口12中。只有当滑块位于缺口12的中央时，接合套与锁环的齿方可能接合。

在挂三档时，用拨叉3拨动接合套8并带动滑块2一起向左移动。当滑块左端面与锁环9的缺口12的端面接触时，便推动锁环9压向齿轮1，使锁环9的内锥面压向齿轮1的外锥面。由于两锥面具有转速差（n1＞n9），所以一接触便产生摩擦作用。齿轮1即通过摩擦作用带动锁环相对于接合套超前转过一个角度，直到锁环9的缺口12与滑块的另一侧面,接触时，锁环便与接合套同步转动。此时，接合套的齿与锁环的齿错开了约半个齿厚，从而使接合套的齿端倒角面与锁环相应的齿端倒角面正好互相抵触而不能进入啮合。

当变速器由二档换入三档（直接档）时，接合套8从二档退到空档，齿轮1和接合套 8连同锁环9都在其本身及其所联系的一系列运动件的惯性作用下，继续沿原方向（如图中箭头所示）旋转。

	在挂三档时，用拨叉3拨动接合套8并带动滑块2一起向左移动。当滑块左端面与锁环9的缺口12的端面接触时，便推动锁环9压向齿轮1，使锁环9的内锥面压向齿轮1的外锥面。由于两锥面具有转速差（n1＞n9），所以一接触便产生摩擦作用。齿轮1即通过摩擦作用带动锁环相对于接合套超前转过一个角度，直到锁环9的缺口12与滑块的另一侧面接触时，锁环便与接合套同步转动。此时，接合套的齿与锁环的齿错开了约半个齿厚，从而使接合套的齿端倒角面与锁环相应的齿端倒角面正好互相抵触而不能进入啮合

	D－C3－16(b齿端受力)

	驾驶员的换档操纵力通过接合套作用于锁环的锁止角斜面上，在此斜面上产生的法向压力为N。法向压力N可分解为轴向力F1和切向力F2。切向力F2所形成的力矩M2有使锁环相对于接合套向后（用箭头指示M2）转动的趋势，称为拨环力矩。轴向力 Fl则使齿轮1 通过摩擦锥面对锁环9作用一与转动方向同向摩擦力矩M1（用箭头指示M1）。这一摩擦力矩M1阻止锁环相对接合套向后退转。
	如果拨环力矩M2大于摩擦力矩M1，则锁环9即可相对于接合套向后退转一个角度，以便二者进入接合；若M2＜M1（此时还有滑块对锁环缺口一侧的阻挡作用），则二者相对位置不变，不可能进入接合。在设计同步器时，适当地选择锁止角和摩擦锥面的锥角，便能保证在达到同步（n1=n9）之前，齿轮1施加在锁环9上的摩擦力矩M1总是大于切向力F2形成的拨环力矩M2，不论驾驶员通过操纵机构加在接合套上的轴向推力有多大，接合套齿端与锁环齿端总是互相抵触而不能接合。
	锁环9对接合套的锁止作用是由于上述摩擦力矩M1造成的。因为此摩擦力矩的作用与锁环9（及与之连接的接合套8、花键毂7、变速器输出轴及整个汽车等）和齿轮1（及与之连接的离合器从动部分和变速器内部分齿轮）两部分的转动惯性有关，故称此种同步器为"惯性式"同步器。

	D－C3－16(C)(D) 应加动画

	继续加力于接合套上，摩擦作用使齿轮1与锁环9转速很快趋于一致，紧接着两者间的相互转动趋势也迅速降低，摩擦力矩M1也相应迅速降低。当拨环力矩M2大于摩擦力矩M1时，便使锁环相对于接合套向后退转一个角度。在锁环的摩擦带动下，齿轮1及与之相连的所有零件跟锁环一起相对于接合套向后退转一个角度。当滑块对正缺口12的中央时,接合套花键齿圈与锁环的花键齿圈不再抵触，接合套8继续左移，而与锁环的花键齿圈进入接合状态，锁环的锁止作用即行消失。

	接合套与锁环接合后，轴向力F1不再存在，锥面间的摩擦力矩也就消失。如果此时接合套8花键齿与齿轮1的花键齿发生抵触（见图D－C3－16(C)），则接合套8花键齿作用在齿轮1花键齿端斜面上有切向分力，使齿轮1及其相连零件相对于锁环及接合套转过一个角度，使接合套与齿轮l进入接合（见图D－C3－16(d)），而最后完成了换入三档（由低速档换入高速档）的全过程。

	如果是由三档（直接档）换入二档（由高速档换入低速档），上述过程也适用。但此时齿轮4是被加速到与锁环5（亦即与接合套8）同步，从而使接合套8先后与锁环5及齿轮4进入啮合而完成换档过程。

	如下图所示为其四、五档同步器。两个有内锥面的锥盘2分别固定在带有外花键齿圈的第一轴齿轮1和第二轴四档齿轮6上。与之相对应的是两个有外锥面的摩擦环3。在接合套5凸缘的同一圆周上均匀开有六个轴向孔，与孔配合的三个锁销8和三个定位销4相互间隔地从孔中自由穿过。锁销8的两端与摩擦环3相铆接（将锁销8与摩擦环3组件单独显示），定位销4的两端贴于锥形摩擦环3的内侧面，略有间隙。锁销8的中部与接合套5凸缘相对处比较细（将锁销8的中部单独显示），在其直径变化处和接合套5上相应的销孔两端有角度相同的倒角――锁止角。只有在锁销与接合套孔对中时，接合套方能沿锁销轴向移动（演示锁销与接合套孔对中时，接合套沿锁销轴向移动的情况）。在接合套上定位销孔中部钻有斜孔，内装弹簧11，把钢球10顶向定位销中部的环槽（见A－A剖面图），以保证同步器处于正确的空档位置。